Question

【題目】閱讀短文，回答問題：

貧民窟中的黑科技單靠重力工作的電燈

當我們在享受電燈帶來的各種便利時，身處在發展中國家貧困地區的人們卻在依靠極度危險的煤油燈進行照明。針對發展中國家普遍用不上電的情況，2012年12月，英國倫敦設計師馬丁·瑞德福和吉姆·里弗斯發明了一款實用的“重力燈”（GravityLight）。顧名思義，它靠重力發電。在燈身上掛著的一個重物，重物下落時，它會拉動燈中心的一根繩子，從而啟動一臺發電機。發電機把下落重物產生的能量為燈供電。這和手搖式發電裝置的原理一樣，只不過重力燈的運動方向更垂直。這種重力燈和蘋果手機一起被譽為21世紀最偉大的發明。

現在，重力燈迎來了第二代-----“重力LED燈GL02”，其亮度相當于一個12瓦的日光燈（如圖1），使用壽命可以達到200年。“重力LED燈GL02”掛于大約2米高，通過拉幾下珠繩把重物吊起，松開后，重物因重力的關系會慢慢下降（每秒大約2mm，如圖2）。以一系列的齒輪帶動一個直流發電機，發電時間約為20分鐘。“重力LED燈GL02”采用了全新的保護機制，可以確保超重的物體安全地著陸地面。當沙包落到地面時，只要將沙包再提高至原來位置，又可以繼續發電。這樣就能擁有綠色、不用電池、無污染、使用“零”成本、源源不斷的光線。而且“重力LED燈GL02”機身上有DC插座，還可以為收音機等設備進行供電，其他類似的裝置——比如電池充電器也能用同樣的方式工作。重力LED燈的照明時間取決于安裝的高度，正常情況下，安置于1.8米的高度，可以維持約20分鐘的照明，當然你安裝高度的越高，維持時間越長。

（1）重力燈的主要構件是直流發電機，它的工作原理是______________。重力燈工作過程中主要的能量轉化形式是：將________能轉化成__________能再轉化成________能。

（2）重力燈的內部結構如圖3所示，使用了滑輪系統，通過向下拉珠繩把重物吊起。重力燈利用滑輪系統的目的是___________________________________。

（3）LED燈是由發光二極管組成，電光轉換效率極高，具有單向導電性。當二極管兩端外加正向電壓時，如果正向電壓很小，正向電流也幾乎為零，當正向電壓大于某個值以后，二極管正向導通，電流隨電壓增大而迅速上升。當二極管兩端外加反向電壓不超過一定范圍時，通過二極管的電流幾乎為零，二極管處于截止狀態。外加反向電壓超過某一數值時，反向電流會突然增大，這種現象稱為電擊穿。因而使用時應避免二極管外加的反向電壓過高。如圖4所示，為一發光二極管中的電流隨它兩端電壓變化的曲線。

①以下判斷中錯誤的是（_____）

A．當該二極管兩端的正向電壓為0.2V時，二極管處于導通狀態

B．當該二極管兩端的正向電壓為0.8V時，二極管處于導通狀態

C．當該二極管兩端的反向電壓為10V時，二極管處于截止狀態

D．當該二極管兩端的反向電壓為50V時，二極管將會被擊穿

②該二極管兩端的正向電壓為0.5V時的電阻____________（選填“大于”、“等于”、“小于”）正向電壓為0.7V時的電阻。

（4）如果某一次使用重力燈，將質量為20Kg的重物吊起到1.8m的高度釋放，重物以2mm/s速度勻速豎直下降，整個過程中可使10只并聯的標有“3V、10mA”LED燈正常發光。則整個過程中重物的重力做功______________J（g=10N/kg）；重力燈的能量轉化效率為___________。

（5）重力燈是綠色、無污染的清潔照明工具，使用“零”成本。但它也有不足之處，請說出使用重力燈的一點不足：_______________________。

Answer 1

【答案】【答題空1】電磁感應 機械 電 光 省力、改變施力的方向 A 大于 360 75％ 功率小；供電時間短；不能持續供電

【解析】

（1）發電機的工作原理是電磁感應；分析可知重力燈工作過程中主要的能量轉化；

（2）重力燈利用滑輪系統既省力又能改變施力的方向；

（3）①對照圖像判斷各選項；②分析可知，該二極管兩端的正向電壓由0.5V增加到0.7V時，電流隨電壓增大而迅速上升，即電阻迅速減小；

（4）由W=Gh=mgh求出重力做的功，由P=UI求出一只燈的功率，重物以2mm/s速度勻速豎直下降1.8m所需時間即燈的工作時間，由W電=P總t求出燈內消耗的電能，再由=求重力燈的能量轉化效率；

（5）分析知重力燈的不足：功率小；供電時間短；不能持續供電。

（1）重力燈的主要構件是直流發電機，它的工作原理是電磁感應。重力燈工作時，重物下落，啟動一臺發電機，消耗機械能，得到電能，燈發光，將電能轉化為光能，故重力燈工作過程中主要的能量轉化形式是：將機械能轉化成電能再轉化成光能。

（2）由圖可知，重力燈的內部結構使用了滑輪系統，其目的是省力、改變施力的方向。

（3）①由圖4可知，當正向電壓大于0.4V時，二極管正向導通，當反向電壓超過40V時，二極管會被擊穿，故：當該二極管兩端的正向電壓為0.2V時，二極管處于截止狀態，故A錯誤；當該二極管兩端的正向電壓為0.8V時，二極管處于導通狀態，故B正確；當該二極管兩端的反向電壓為10V時，二極管處于截止狀態，故C正確；當該二極管兩端的反向電壓為50V時，二極管將會被擊穿，故D正確。判斷中錯誤的是A.

②由圖4可知,該二極管兩端的正向電壓由0.5V增加到0.7V時，電流隨電壓增大而迅速上升，即電阻迅速減小，因此正向電壓為0.5V時的電阻大于正向電壓為0.7V時的電阻。

（4）將質量為20kg的重物吊起到1.8m的高度釋放，則整個過程中重物的重力做功W=Gh=mgh=20kg 10N/ kg 1.8m=360J;

重物以2mm/s速度勻速豎直下降1.8m所需時間：t===900s,

“3V、10mA”LED燈正常發光的功率：P=UI=3V0.01A=0.03W;

10只“3V、10mA”LED燈900s內消耗的電能： W電=P總t=0.03W10900s=270J,

重力燈的能量轉化效率為:=100=100=75％;

（5）重力燈是綠色、無污染的清潔照明工具，使用“零”成本。由以上分析可知，其缺點是：功率小；供電時間短；不能持續供電